外球面球轴承座的轴承插入槽探讨

吴清祥，庄有土

(1.黑金刚(福建)自动化科技股份公司，福建 泉州 362000；2.华侨大学 机电学院，福建 泉州 362000)

1 铸造成型的轴承插入槽

外球面球轴承座的轴承插入槽是为安装和维修轴承方便而设计。有关外球面球轴承座的相关标准，如ISO 3228:2013“Rolling bearings—Cast and pressed housings for insert bearings—Boundary dimensions and tolerances”以及GB/T 27560—2011《滚动轴承 外球面球轴承铸造座 技术条件》和GB/T 2809—2017《滚动轴承 外球面球轴承铸造座 外形尺寸》，均未对轴承座的轴承插入槽对轴承质量的影响给出相关提示或说明，对插入槽外形尺寸也未直接标注。因此，国内外带座外球面球轴承制造商均在轴承座上直接铸出轴承插入槽，以方便用塞规综合检测轴承座内球面的加工尺寸。具有代表性的P212立式座结构如图1所示。

图1 铸造成型的轴承插入槽

P212立式座2个轴承插入槽的槽底面直径为φ115 mm，内球面直径为Sφ110 mm，单边槽深2.5 mm，立式座壁厚为15 mm。

2 铸造成型插入槽对轴承座的影响

2.1 直接影响

1)插入槽超越了内球面前后半球的分界线(即赤道线)1 mm，内球面赤道线约有1/4～1/5被插入槽占据， 轴承座在插入槽处为大跨距无支承状态，容易产生变形，导致轴承运转时游隙(工作游隙)变化，对轴承的疲劳接触寿命、温升、振动噪声等性能产生影响。

2)插入槽的存在使轴承座内球面不存在任何一根完整的可形成内球面的素线，因而无法准确测量内球面的球径和形位公差，对轴承座内球面加工质量产生影响。

3)插入槽削弱了轴承座的强度，可能在轴承使用过程中发生断裂。

4)插入槽的存在是带座轴承极限转速比同型号深沟球轴承极限转速低的原因之一。

2.2 加工质量的影响

由于两处插入槽的隔断，轴承座内球面车削(或镗削)为间断切削，每转有2次切入和切出对刀具产生冲击，容易引起内球面局部加工表面出现振纹，为了减小振纹的深度和面积，加工时通常采用尖刀车削，而不使用带圆角的转位车刀，内球面表面粗糙度Ra值难以达到3.2 μm；而且尖刀车削表面是由一系列尖角的顶部构成，在轴承装配压力下被压低以及快速磨损，使带座轴承的配合性质不稳定。另外，由于需要经常修磨刀具，切削速度不高，生产率低。

2.3 加工精度的影响

2.3.1 尺寸

插入槽为铸造成型，若退火去应力不充分或者不进行时效处理，内球面车削时铸造应力释放不均,容易引起内球面的较大变形。特别是对于立式座，其内球面经数控粗车、半精车和精车后，在工件不重新安装情况下，对内球面用金刚石磨轮进行范成法磨削，容易在工件插入槽邻近加工表面出现大面积精车痕迹，有时需径向磨削量达到0.10 mm才能去除精车留下的条纹。铸造成型的插入槽加大了铸造应力变形，可能导致其加工误差远远超出技术要求。

2.3.2 配合

GB/T 27555—2011《滚动轴承 外球面球轴承 技术条件》规定了铸造座与外球面球轴承过渡配合时的配合力矩，如P212立式座，轴承外径110 mm，要求最小配合力矩大于3 N·m，最大配合力矩小于150 N·m。由图2外球面球轴承与其座孔配合公差带可知，最大间隙可达37 μm，最大过盈为13 μm。外球面轴承与轴承座配合大概率为间隙配合，但依照目前轴承座的形状误差，很难在标准规定的最小配合力矩下满足装配要求。另外，最大配合力矩150 N·m，估算相当于轴承座与轴承之间的正压力达到5 000 N以上，此正压力若能均匀作用于外圈，可减小轴承的径向游隙，提高轴承性能。但带座轴承由于插入槽的槽根线超越内球面赤道线1 mm，轴承座在两插入槽处无法约束轴承外圈向插入槽凸出变形，轴承座对轴承的不均匀压力相当于一个很大的附加载荷。此附加载荷使轴承外圈在垂直于底面的方向压紧滚动体，使径向游隙可能为零或负值，而在平行于底面的方向轴承外圈凸入插入槽，外圈与滚动体的径向游隙加大。轴承旋转1周，要2次经历无游隙及大游隙，会加大带座轴承的噪声。

图2 外球面球轴承与其座孔配合公差带

4 铣削成形的轴承插入槽

文献[1]提出轴承插入槽在轴承座内球面精加工完成后由铣削加工成形，解决了铸造成型轴承插入槽引起的诸多问题。内球面采用带圆角的转位车刀车削，表面粗糙度Ra值可稳定达到1.6 μm，形状误差也大大下降，公差等级可达到IT6或IT5。

铣削成形轴承插入槽(图3)设计[2]：

图3 铣削成形的轴承插入槽

2)采用φ6 mm或φ8 mm立铣刀或金刚石磨轮切削插入槽的底面，因而插入槽两侧有R4 mm或R3 mm的圆角。刀具沿圆周进给的弧长，以轴承能顺畅插入为准。

3)插入槽的槽根线不可到达内球面的赤道线，与赤道线距离由内球面直径、与轴承配合性质决定[3]。对于P212立式座,插入槽槽根线与赤道线距离为1.5 mm左右。即在轴承插入过程中，经过槽根线时轴承受阻，产生0.02～0.04 mm的弹性变形，然后弹入到位。这个距离形成轴承座环赤道线两侧一个特有的连续支承带，可有效阻挡轴承外圈凸入插入槽，从而减少轴承附加载荷和噪声[4]。有了这个特有的连续支承带，轴承座内球面的球径和形状误差才能更准确的测量，带座轴承的制造质量更有保证[5]。

4)对于轴线需不断摆动的带座轴承，内外球面为间隙配合，铣轴承插入槽时可在1或2个侧边加工1 mm深的沟，采用止动球防止外圈转动。加工的沟不得超过槽根线，确保支承带连续。

5 结束语

外球面球轴承座插入槽由铣削成形替代铸造成型，可经济地使轴承座内球面表面粗糙度Ra值由3.2 μm提高到1.6 μm；公差等级由IT7提高到IT6；特有的支承带可使轴承的极限转速显著提高，噪声大幅降低。因此，也提出对相关国内标准的建议：用“配合力矩”作为综合指标检测带座轴承内球面的方法不够合理，支承带可检测内球面的尺寸和形状误差， 插入槽对轴承的影响较大，应制定相关的标准给予行业引导。